Kwartalnik
Polskiego
Towarzystwa
Biochemicznego
Polish
Biochemical
Society
Quarterly


Numer bieżący:
Postępy Biochemii
Nr 4/2016 (Tom 62)

Current number Biochemistry:
issue 4, 2016 (vol.62)



Następny numer: 1/2017 (Tom 63)
w przygotowaniu

Advances in Biochemistry:
issue 1, 2017 (vol.63)




Nukleazy CRISPR typu II i V z punktu widzenia biologa strukturalnego

Type II and type V CRISPR effector nucleases from a structural biologist's perspective

Humberto Fernandes, Michal Pastor, Matthias Bochtler

 

Instytut Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie

Institute of Biochemistry and Biophysics PAS, Warsaw, Poland

 

Artykuł otrzymano 27 stycznia 2016 r.
Artykuł zaakceptowano 29 maja 2016 r.

Received January 27, 2016
Accepted May 29, 2016

 

STRESZCZENIE Nukleazy efektorowe Cas9 i Cpf1, będące częścią systemu CRISPR typu II i V, są „uniwersalnymi” endonukleazami DNA, które za pomocą odpowiedniej sekwencji crRNA lub sgRNA mogą zostać zaprogramowane do przecięcia niemal każdego dwuniciowego DNA w określonym miejscu (oflankowanym krótkimi sekwencjami PAM). W niniejszym artykule przeglądowym omówiono bakteryjny system odporności swoistej CRISPR jako naturalny kontekst, w którym działają nukleazy Cas9 i Cpf1, i przedstawiono informacje strukturalne dotyczące działania tych białek uzyskane w ciągu ostatnich 2-3 lat. Opisano także strukturę „pętli R” zlokalizowanych w rdzeniu kompleksów Cas9 i Cpf1 oraz „uchwytów” 5’ i 3’ biorących udział w kotwiczeniu kompleksów kwasów nukleinowych na białkach w sposób niezależny od sekwencji docelowej. W artykule omówiono również budowę molekularną białek Cas9 i Cpf1, mechanizm skanowania przez nie dwuniciowego DNA w poszukiwaniu sekwencji PAM (ang. protospacer associated motifs), a także sposób rozdzielenia docelowej i niedocelowej nici DNA z udziałem pętli fosforanowej (PLL, phosphate loop) i helisy podstawowej (BH, basic helix) oraz formowanie się hybryd złożonych z crRNA lub sgRNA i docelowej nici DNA. Ponadto, opisano przyjęty obecnie mechanizm działania domen katalitycznych RuvC i HNH oraz możliwą, a jednocześnie wciąż bardzo niepewną, katalityczną rolę domeny Nuc. W końcowej części niniejszego artykułu przeglądowego znajduje się natomiast krótkie podsumowanie kluczowych osiągnięć, które zapoczątkowały zastosowanie nukleaz Cas9 i Cpf1 w inżynierii genomowej.

ABSTRACT The type II and type V CRISPR effector nucleases Cas9 and Cpf1 are “universal” DNA endonucleases, which can be programmed by an appropriate crRNA or sgRNA strand to cleave almost any DNA duplex at a preselected position (constrained only by short, so-called PAMs). In this review, we briefly introduce CRISPR bacterial adaptive immunity as the biological context in which Cas9 and Cpf1 proteins operate, and then present the structural insights that have been obtained in the last two or three years that illustrate the mode of operation of these proteins. We describe the R-loop structures at the core of the Cas9 and Cpf1 complexes, and the structure of the 5’- or 3’-handles that help anchor the nucleic acid complexes to the proteins in a manner that is independent of the target sequence. Next, we describe the molecular architecture of the Cas9 and Cpf1 proteins. We illustrate how Cas9 and Cpf1 proteins scan double stranded DNA for so-called protospacer associated motifs (PAMs), we explain how the phosphate loop (PLL) and basic helix (BH) promote the separation of target and non-target DNA strands and the formation of hybrids between crRNA or sgRNA and the target strand of DNA. We also describe the current understanding of the catalytic mechanisms of RuvC and HNH domains, and a possible, but still very uncertain catalytic role of the Nuc domain. At the end of the review, we briefly summarize key developments that have initiated the field of genomic engineering using Cas9 or Cpf1 nucleases.

Kwartalnik "Postępy Biochemii" jest wydawany z pomocą finansową Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Indeksowany w Medline i Agrolibrex.

"Postępy Biochemii" a quarterly published with financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Poland. Indexed in Medline and Agrolibrex.

Copyright © by Pawel Pomorski and Polish Biochemical Society 2009-2016